Des microcontrôleurs hautement intégrés simplifient la conception de commandes de moteurs précises et efficaces

Lorsque mon fils lycéen a rejoint le club de robotique, j'étais un père très fier. Cependant, il n'a pas tardé à me faire part de problèmes de conception que je connaissais bien. L'un de ses principaux défis était de trouver un matériel de commande de moteur à la fois précis, efficace et facile à utiliser.

Dans notre monde professionnel, ces mêmes exigences se posent lors de la conception, qu'il s'agisse d'appareils ménagers ou d'automatisation industrielle. C'est pourquoi les nouveaux microcontrôleurs (MCU) PSOC Control C3 d'Infineon m'intriguent.

Une architecture efficace pour une commande moteur avancée

La famille PSOC Control C3 est proposée comme une solution efficace et hautes performances pour la commande moteur avancée. Ces microcontrôleurs sont architecturés autour d'un cœur Arm Cortex-M33 avec traitement des signaux numériques (DSP) et unité en virgule flottante (FPU) (Figure 1). Ce cœur est complété par des périphériques hautes performances, optimisés pour les systèmes utilisant des dispositifs de puissance basés sur des technologies à large bande interdite telles que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN).

Figure 1 : Les microcontrôleurs PSOC Control C3 sont dotés de puissants périphériques architecturés autour d'un cœur Arm Cortex-M33 avec DSP et FPU. (Source de l'image : Infineon)

Trois périphériques de microcontrôleurs Control C3 méritent une attention particulière :

• Le convertisseur analogique-numérique (CAN) à registre d'approximations successives (SAR) 12 bits hautes performances offre un véritable échantillonnage en veille synchrone jusqu'à 16 signaux analogiques. Cette caractéristique est cruciale pour capturer avec précision les formes d'onde à changement rapide, telles que les courants de phase des moteurs dans les systèmes de contrôle à flux orienté (FOC) ou les tensions de réseau dans un onduleur solaire.
• L'accélérateur mathématique CORDIC (Coordinate Rotation Digital Computer), disponible en option, décharge le cœur Arm des fonctions trigonométriques et autres fonctions transcendantes. Cela constitue un avantage pour les algorithmes tels que les transformées de Park dans les systèmes FOC et les boucles à verrouillage de phase (PLL) dans la conversion de puissance liée au réseau.
• Les blocs de modulation de largeur d'impulsion de temporisateur/compteur (TCPWM) peuvent générer des signaux de commutation précis et intégrer une interface de mouvement (MOTIF), fournissant un support matériel direct pour les codeurs Hall et en quadrature utilisés dans les conceptions de commande moteur basées sur des capteurs.

Ensemble, ces caractéristiques offrent une solution étroitement intégrée pour les applications exigeantes, telles que les entraînements de moteur à haut rendement, les alimentations numériques et les systèmes d'énergies renouvelables.

Parmi les autres caractéristiques à souligner, citons les nombreuses E/S et les modes basse consommation qui permettent de réduire la consommation d'énergie à moins de 1 µA. La sécurité certifiée PSA de niveau 2 protège contre les manipulations, tandis que la conformité aux normes CEI 60730 classe B et CEI 61508 SIL 2 garantit la sécurité fonctionnelle.

Optimiser le rapport coût/performances avec deux lignes de microcontrôleurs

Les conceptions ne requièrent pas toutes la totalité des fonctionnalités disponibles, et les budgets peuvent être serrés. C'est pourquoi le PSOC Control C3 se décline en deux versions : une ligne d'entrée de gamme au coût optimisé (Entry Line) et une ligne principale aux performances supérieures (Main Line). Les fonctionnalités clés de la ligne d'entrée de gamme incluent un cœur Arm de 100 MHz, un CAN de 6 Méch./s et un boîtier à 48 ou 64 broches.

La ligne principale offre un processeur de 180 MHz, un CAN SAR de 12 Méch./s et une option de boîtier à 80 broches. Elle améliore également la temporisation PWM à plus de 100 ps, ce qui permet de contrôler les fréquences de commutation supérieures à 200 kHz.

Le PSC3M5FDS2AFQ1XQSA1 (Figure 2) illustre les capacités de la ligne principale. Ce microcontrôleur combine un cœur Arm Cortex-M33F de 180 MHz avec 256 Ko de mémoire Flash dans un boîtier PG-LQFP-80. Il convient particulièrement bien aux applications difficiles, telles que les robots et les contrôleurs de moteurs de vélos électriques, où les performances sont primordiales.

Figure 2 : Le microcontrôleur PSC3M5FDS2AFQ1XQSA1 Main Line combine un cœur Arm Cortex-M33F de 180 MHz avec 256 Ko de mémoire Flash dans un boîtier PG-LQFP-80. (Source de l'image : Infineon)

Accélérer la conception de commande moteur avec des kits d'évaluation

Pour la conception avec la gamme Control 3, le kit d'évaluation KITPSC3M5EVK (Figure 3) constitue un bon point de départ. Il est équipé d'un microcontrôleur PSC3M5FDS2AFQ1, permettant aux concepteurs d'accéder à la suite complète de capacités du PSOC Control C3.

Figure 3 : Le kit d'évaluation KITPSC3M5EVK fournit une variété d'embases pour les démonstrations de faisabilité utilisant les microcontrôleurs PSOC Control 3. (Source de l'image : Infineon)

La carte est de conception simple, idéale pour l'expérimentation de montage d'essai. Elle offre également des connecteurs pour MIKROE mikroBUS, Arduino Uno R3, et l'interface Shield2Go d'Infineon pour une extension aisée. Globalement, cette carte constitue un choix viable pour les tests périphériques, les démonstrations de faisabilité et le développement de code initial.

Pour ceux qui souhaitent se lancer directement dans la conception de commandes de moteur, des kits plus avancés, tels que le KIT_PSC3M5_CC2 (Figure 4), sont également disponibles. Basée sur le même microcontrôleur PSC3M5FDS2AFQ1, cette plateforme complète comprend des circuits d'attaque de grille intégrés pour le contrôle de l'étage de puissance, des circuits de détection du courant pour la mesure du courant de phase et une alimentation embarquée pour un fonctionnement autonome. Elle constitue un excellent choix pour le développement de contrôleurs de moteur, les tests d'algorithmes FOC et la validation au niveau système.

Figure 4 : Le KIT_PSC3M5_CC2 est une plateforme flexible pour le prototypage de commandes de moteurs. (Source de l'image : Infineon)

Les deux cartes et la gamme PSOC Control C3 sont prises en charge par ModusToolbox, l'écosystème de développement d'Infineon. La suite ModusToolbox Motor Suite fournit des exemples de code prêts à l'emploi et des outils spécialement conçus pour les applications de commande moteur, permettant de passer rapidement de l'évaluation à l'implémentation. Elle prend également en charge l'intégration directe avec de nombreux environnements de développement intégrés et systèmes de développement tiers, offrant ainsi la flexibilité nécessaire pour adapter le flux de travail à la chaîne d'outils privilégiée.

Conclusion

Que vous soyez, comme mon fils, novice en matière de contrôle de mouvement, ou un concepteur expérimenté à la recherche des dernières technologies, les microcontrôleurs PSOC Control C3 ont beaucoup à offrir. Des caractéristiques avancées, telles que l'accélérateur CORDIC et le CAN synchronisé, leur confèrent d'impressionnantes capacités de commande moteur. De plus, ces fonctionnalités sont intégrées dans un microcontrôleur hautes performances, ouvrant de nouvelles possibilités intéressantes pour les conceptions sensibles aux coûts.